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“小小”碳纤维撑起大国重器

来源:中国青年报 作者:王烨捷 朱一超 孙庆华 2019-10-14 11:33:14
内容摘要: 从创建新中国第一个“化学纤维”专业的钱宝钧教授到潜心攻克高纯航天黏胶基碳纤维难题、助力导弹飞天的潘鼎教授,再到科研攻关国产高性能碳纤维产业化的陈惠芳研究员,东华大学三代专家接力“专研”碳纤维。

我国化纤专业教育奠基人之一、原华东纺织工学院院长、中国纺织大学名誉校长钱宝钧。学校供图

潘鼎教授(左四)带领课题组成员开展碳纤维研究(左二为陈惠芳)。学校供图

潘鼎教授带领团队长期攻关成功助力洲际导弹一飞冲天,使我国成为全世界3个掌握航天级高纯黏胶基碳纤维研制技术的国家之一。学校供图

  小小的碳纤维,曾是新中国与国外同类材料竞争的“软肋”。从创建新中国第一个“化学纤维”专业的钱宝钧教授到潜心攻克高纯航天黏胶基碳纤维难题、助力导弹飞天的潘鼎教授,再到科研攻关国产高性能碳纤维产业化的陈惠芳研究员,东华大学三代专家接力“专研”碳纤维。小小的碳纤维,可以撑起“国之重器”。在三代东华教授的接力下,中国从“纤维大国”走向“纤维强国”。

新中国第一个化纤专业诞生

  解放初期,我国的纺织工业原料主要依靠天然纤维的棉、毛、麻、丝,远远不能满足亿万人民穿衣的需要,出路何在?我国著名纤维科学家、教育家钱宝钧先生敏锐地意识到当务之急是发展化学纤维工业。

  在1950年的全国化工会议上,钱宝钧毅然提出了发展国内化学纤维工业的主张。他还意识到,要发展化纤工业,必须教育领先。为此,他于1954年与化纤专家方柏容教授联名上书纺织工业部,建议在华东纺织工学院(东华大学的前身)创办新中国第一个化纤专业。这份建议当年获批,并招收培养第一批化纤人才,极大地缓解了我国化纤人才短缺问题。

  钱宝钧在上世纪50年代初开创了我国以棉绒为原料的黏胶纤维研究,曾解决我国第一家万吨级黏胶帘子线厂工艺技术上的不少难题;并在华东纺织工学院筹建化学纤维及高分子专业,建立了化学纤维研究所及实验工厂,使之成为我国最早的培养从事化纤研究以及从事化纤工业的高层次人才的教学和科研基地。

  过去的科研,远不及现在。钱宝钧在科研工作中一次又一次地“迎难而上”。没有仪器,就靠着手头简陋的工具自制;经费不足,就省吃俭用自费研究。

  他亲自动手,与机械师傅一起,把一个个零部件制造出来,遇到电气自动化装置上的难题,就把自己的家人叫到实验室来,一起装配,反复试验;没有经费,就自己花钱购买原材料。经过了多少个日日夜夜不断改进,终于在1976年研制成功第一台纤维热机械分析仪。

  当时,他已是70岁高龄。这台仪器,对“化学纤维成形工艺理论和纤维结构性能”的研究,特别是在“碳纤维原丝结构对碳纤维结构性能的研究”进程中发挥了不可或缺的作用。1989年美国著名碳纤维专家Defumdoph教授来中国讲学,看到这台仪器后,十分惊讶,连连称赞说:“我的碳纤维研究工作正需要这台仪器呢。从这台仪器的研制成功,就可以看出你们在碳纤维研究方面有着相当高的水平了。”

  如今,纤维热机械分析仪已成为研究纤维内在结构性能的一个重要检测仪器。

  年龄并没有阻止钱老向着科技高峰迈进的步伐,在步入80岁高龄之时,他又不畏艰难开始了纤维大分子缠结理论研究,这是当时国际领先的科研项目。钱老对高分子的缠结理论提出了新的论据,并带领学生在自制的仪器设备上得到验证,使大分子缠结研究成果达到国际先进水平,为我国纺织纤维科学研究和教育的发展作出了突出的贡献。

  “中国化纤事业无不渗透着钱老的心血,正是钱老在困难时期仍不忘初心的坚持下,才有了中国化纤的今天。”钱宝钧的学生、东华大学材料学院教师王依民说,新一代东华人要传承钱老的精神,开创一个属于中国化纤的明天。

为洲际导弹编织“防护服”

  钱宝钧之后,接过小小碳纤维研究接力棒的,是潘鼎。他师从钱宝钧,是改革开放恢复招收研究生后的第一届硕士生,他用毕生的精力专注“碳纤维”这件事。

  上世纪80年代,我国头号战略武器“洲际导弹”面临最后两项久攻不克的技术难题。其中一个“拦路虎”就是“航天级高纯黏胶基碳纤维”。作为洲际导弹弹头防热层关键材料,航天级高纯黏胶基碳纤维好比导弹的“防护服”,它可保护导弹免受高温“伤害”,是火箭、导弹等战略武器的“新衣”,工艺要求极高、制备技术极难,当时只有美、俄两个超级大国拥有,且对我国实行严格禁运、技术封锁。

  难关攻克不下,导弹就上不了天。在各方攻关始终未能成功的巨大压力下,潘鼎决定勇挑重担,带领课题组向“卡脖子技术”发起冲击,改用新的碳丝路线来研制产品。

  说起当年的困难,现东华大学碳纤维项目组学术带头人、2017年度国家科技进步奖一等奖获得者陈惠芳仍深有感触:“当年我们课题组可以说是‘三无’:一无研究资料和基础,二无场地,三无任何可以借鉴的经验哪怕是失败的经验。当时大家就在潘老师的带领下,一切从零开始,为了解决国家难题奋力一搏。”

  陈惠芳回忆,为了早日研制出国家急需的碳纤维产品,潘鼎经常通宵达旦地工作在生产一线,困了就在钢平台上躺一会儿,有时只睡两个小时就又投入到工作中。没有场地,课题组就借用一个大集体厂的废弃厂房,不管严寒酷暑,潘老师每天都要乘坐4个小时长途汽车到松江进行试验。学校的实验室面积不够,连洗手间都征用了。

  在如此艰苦的科研条件下苦战多年,潘鼎团队成功研制了集美、俄两国同类产品性能所长的航天级高纯黏胶基碳纤维,为战略武器飞天提供了关键性的技术支持。这项科研成果获得了2001年中国高校十大科技进展殊荣,2002年国家教育部提名国家科技进步一等奖,2003年国家科技进步二等奖。

  这项研究不仅填补了国内空白,让我国由此成为世界上第三个掌握航天级高纯粘胶基碳纤维研制技术的国家,也为我国国防现代化的升级换代及捍卫国民经济现代化成果作出了贡献。

  项目成功了,潘鼎的身体却敲响了警钟,心脏进行了多次手术。

  在2008年上海市庆祝教师节主题晚会上,主持人问及潘鼎这样的付出是否值得?潘鼎给出了一个响亮的回答:“这是国家的需要!这也是我对国家的承诺!我一生只做一件事,那就是国防尖端关键材料的研制。当年我为振兴中华而读书,今天我为中国之崛起而奋斗。”

  2019年潘鼎永远地离开了,但是他科学报国、无私奉献的精神在一代代东华材料人中传承下去。

中国碳纤维如何才能更“强”

  陈惠芳研究员从潘鼎手上接过接力棒后,把科研方向瞄准“国产碳纤维的产业化”。她要让中国高性能碳纤维更“强”。

  她介绍,高性能碳纤维是个“好东西”,但是碳纤维研发投入高、周期长,且核心技术被日、美等国严密封锁,我国碳纤维市场长期处于进口产品垄断状态,高昂的进口价格和严苛的技术封锁严重制约着我国碳纤维的发展。

  高性能碳纤维的研发能力如何,直接关系到国与国之间的竞争实力。“我就不相信咱中国人造不出高质量的高性能碳纤维。”憋着一股气儿,陈惠芳全身心投入到高性能碳纤维的研究事业中。

  功夫不负有心人,陈惠芳科研团队联合中复神鹰碳纤维有限责任公司通过不断摸索、反复实验,终于突破了制备高性能碳纤维的先进技术——干喷湿纺。

  干喷湿纺工艺被认为是碳纤维生产的主流工艺,但也是碳纤维行业公认的难以突破的纺丝技术,目前在国际上仅有日本的个别公司掌握这一工艺。这一关键技术的突破使得纺丝速度可以达到400m/min以上,是传统湿法纺丝的5倍。

  团队同时还开发出干喷湿纺原丝快速预氧化技术,有效缩短了预氧化时间,大大提高了生产效率。干喷湿纺关键技术突破后,开发了均质聚合系统、高效环保脱单、稳定干喷湿纺、节能预氧化的成套技术。如今,我国首个采用干喷湿纺工艺的千吨级碳纤维生产线正式投产,技术达到国内领先水平,制备出的碳纤维产品性能与国际同类产品相当。

  随着技术的不断革新改进,该条生产线每年能生产近5000吨原丝和2000吨碳丝,产品实现了产业化并批量供应市场,打破了国外高性能碳纤维企业在中国市场的长期垄断,该项目荣获2017年度国家科技进步一等奖。

  陈惠芳表示,高性能碳纤维要实现完全自主国产化依旧需要不断地技术攻关,未来高性能碳纤维在大飞机、新能源汽车等领域都有着很大的应用前景。千钧系于一丝,一代代东华人对于高性能碳纤维的研究不会止步。

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